WO2021235052A1 - 静電入力装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an electrostatic input device.
- the operation position along the first axis direction (for example, the X direction) of the rectangular shape is obtained by the two electrodes of the first electrode and the second electrode, and the operation along the first axis direction is performed.
- the capacitance between one of the first electrode and the second electrode and the object to be detected such as a hand increases, and the capacitance between the other electrode and the object to be detected decreases. ..
- the ratio of one electrode to the total of both electrodes it is possible to obtain the operating position along the first axial direction (X direction) even if the distance in the vertical direction from the electrodes fluctuates to some extent.
- an object of the present invention to provide an electrostatic input device capable of accurately specifying the moving direction and the moving amount of the object to be detected.
- the electrostatic input device includes a first electrode having a plurality of first electrode portions arranged at intervals along a predetermined direction, and the plurality of first electrodes along the predetermined direction.
- Each of the plurality of second electrode portions includes a second electrode having a plurality of second electrode portions arranged alternately, and the area of each of the plurality of first electrode portions is reduced in the predetermined direction. The area increases in the predetermined direction.
- FIG. 1 is a diagram showing a door handle 10 attached to the vehicle 1.
- a door handle 10 is attached to the door 2 of the vehicle 1.
- the door handle 10 has an elongated shape so that it can be easily grasped by the fingers of a human hand or the like.
- An electrostatic sensor 110 is provided inside the door handle 10.
- the longitudinal direction of the door handle 10 is the lateral direction in which the door handle 10 is elongated.
- FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the electrostatic input device 100.
- the electrostatic input device 100 has an electrostatic sensor 110 and a position specifying unit 120.
- the electrostatic sensor 110 and the position specifying unit 120 are shown in a simplified manner.
- the two electrodes of the electrostatic sensor 110 are connected to the position specifying unit 120, and the position specifying unit 120 is of the two electrodes.
- the position specifying unit 120 includes an amplifier, an ADC (Analog-to-digital converter: AD converter), a calculation unit, a control unit, and the like, but the description thereof is omitted here.
- ADC Analog-to-digital converter
- FIG. 3 is a diagram showing the electrostatic sensor 110.
- the electrostatic sensor 110 has an electrode 110A, an electrode 110B, and a substrate 110C.
- the electrode 110A is an example of the first electrode
- the electrode 110B is an example of the second electrode.
- Both the electrodes 110A and 110B have a comb-like shape.
- the XYZ coordinate system will be defined and described. Further, in the following, the plan view is an XY plane view, and for convenience of explanation, the ⁇ Z direction side is referred to as a lower side or a lower side, and the + Z direction side is referred to as an upper side or an upper side. is not it.
- the X-axis corresponds to the first axis.
- the electrode 110A has a plurality of electrode portions 111A and a connection portion 112A, and the terminal 113A is connected to the electrode 110A.
- the plurality of electrode portions 111A may be three or more, and FIG. 3 shows six electrode portions 111A.
- the reason why the number may be three or more is that the electrostatic sensor 110 detects the operation position in the X direction based on the change in the capacitance of the electrode portions 111A and the electrode portions 111B alternately arranged in the X direction. This is based on the idea that at least three are required.
- the plurality of electrode portions 111A are examples of the plurality of first electrode portions, the widths in the X direction are different from each other, and the lengths in the Y direction are equal to each other. Further, each of the plurality of electrode portions 111A has a rectangular shape elongated in the Y direction, and the width of the electrodes in the Y direction is formed to be constant. Each of the plurality of electrode portions 111A has a rectangular shape having two sides extending in the Y direction. The width of the electrode portion 111A located on the most ⁇ X direction side in the X direction is the widest, and the width of the electrode portion 111A located on the most + X direction side is the narrowest in the X direction.
- the width of the plurality of electrode portions 111A in the X direction is set so as to be narrowed in order from the ⁇ X direction to the + X direction in the X direction. Therefore, the area of the electrode portion 111A located on the most ⁇ X direction side is the largest, and the area of the electrode portion 111A located on the most + X direction side is the smallest in the X direction.
- the pitch Ps of the plurality of electrode portions 111A in the X direction are all equal.
- the pitch P is the distance between the centers of the widths of the adjacent electrode portions 111A in the X direction.
- Such a plurality of electrode portions 111A are arranged alternately (alternately) with the plurality of electrode portions 111B of the electrodes 110B in the X direction, which is an example of a predetermined direction, and are arranged at positions overlapping in the Y direction.
- the distance between the adjacent electrode portions 111A and the electrode portion 111B in the X direction causes a capacitive coupling between the finger and at least one of the electrode portion 111A and the electrode portion 111B regardless of the position of the finger in the X direction. It may be set to such an interval.
- such an interval is 0.5 mm or less, and 0.5 mm is a value obtained by simulation.
- the connection portion 112A is an example of the first connection portion, and is a linear pattern connecting the ends of the plurality of electrode portions 111A on the + Y direction side in the X direction.
- the width of the connecting portion 112A in the Y direction is constant in the X direction. Since the plurality of electrode portions 111A are connected to the ⁇ Y direction side of the connecting portion 112A extending in the X direction, the electrode 110A has a comb-like shape in a plan view.
- such an electrode 110A can be manufactured by patterning a metal foil such as a copper foil provided on the upper surface of the substrate 110C by etching or the like.
- the electrode 110B has a comb-shaped shape of the electrode 110A and a nested comb-shaped shape.
- the electrode 110B has a plurality of electrode portions 111B and a connection portion 112B, and the terminal 113B is connected to the electrode 110B. Similar to the electrode 110A, the plurality of electrode portions 111B may be three or more as an example.
- the plurality of electrode portions 111B are examples of the plurality of second electrode portions, and are arranged so that the arrangement of the plurality of electrode portions 111A is inverted in the X direction.
- the plurality of electrode portions 111B have different widths in the X direction and have equal lengths in the Y direction.
- each of the plurality of electrode portions 111A has a rectangular shape elongated in the Y direction, and the width of the electrodes in the Y direction is formed to be constant.
- Each of the plurality of electrode portions 111B has a rectangular shape having two sides extending in the Y direction.
- the width of the electrode portion 111B located on the most ⁇ X direction side in the X direction is the narrowest, and the width of the electrode portion 111B located on the most + X direction side is the widest in the X direction.
- the width of the plurality of electrode portions 111B in the X direction is set so as to be widened in order from the ⁇ X direction to the + X direction in the X direction. Therefore, the area of the electrode portion 111B located on the most ⁇ X direction side is the smallest, and the area of the electrode portion 111B located on the most + X direction side is the largest in the X direction. It should be noted that the pitch P of the plurality of electrode portions 111B in the X direction is the same as that of the plurality of electrode portions 111A.
- connection portion 112B is an example of the second connection portion, and is a linear pattern connecting the ends of the plurality of electrode portions 111B on the ⁇ Y direction side in the X direction.
- the width of the connecting portion 112B in the Y direction is constant in the X direction. Since the plurality of electrode portions 111B are connected to the + Y direction side of the connecting portion 112B extending in the X direction, the electrode 110B has a comb-like shape in a plan view.
- such an electrode 110B can be manufactured by patterning a metal foil such as a copper foil provided on the upper surface of the substrate 110C by etching or the like.
- connection portions 112A and 112B may extend in a direction other than an orthogonal angle (angle less than 90 degrees or an angle larger than 90 degrees) in a plan view, and may have a curved shape in a plan view. May be good.
- the substrate 110C is an FR4 (Flame Retardant type 4) standard wiring board as an example, and the electrodes 110A and 110B are formed on the upper surface of the substrate 110C as an example.
- the substrate 110C may be a flexible substrate, and the electrodes 110A and 110B may be formed on the upper surface and the lower surface of the substrate 110C, respectively. Further, the electrodes 110A and 110B may be formed on two substrates, respectively, and the two substrates may be provided on top of each other with the electrodes 110A and 110B insulated from each other.
- FIG. 4 is a diagram showing an example of a simulation model of the electrostatic sensor 110.
- FIG. 4 only the reference numeral of the electrostatic sensor 110 is shown, and FIG. 3 is incorporated for the reference numerals of the electrodes 110A and 110B and the electrode portions 111A and 111B.
- the simulation model shown in FIG. 4 includes 19 electrode portions 111A and 19 each. Further, the lengths of the electrodes 110A and 110B in the X direction are 120 mm, and the width in the Y direction is 20 mm.
- the operations (1) to (3) are performed with a finger jig simulating a human finger.
- the position of the finger jig is, for example, 60 mm above the electrostatic sensor 110, and the simulation was performed assuming that the operations (1) to (3) are performed while touching the door handle 10 (see FIG. 1).
- Such an operation is a so-called swipe operation.
- the operation (1) is an operation of moving the finger jig from the center of the electrostatic sensor 110 in the X direction to the position of 80 mm in the ⁇ X direction to the position of +80 mm, and the finger is moved in the longitudinal direction (X direction) of the door handle 10.
- the operation (2) is an operation of moving the finger jig from the position of +20 mm to the position of ⁇ 20 mm from the center of the electrostatic sensor 110 in the Y direction at the center of the electrostatic sensor 110 in the X direction.
- the operation (3) is an operation of moving the finger jig from the position of +20 mm to the position of -20 mm from the center of the electrostatic sensor 110 in the Y direction at the position of ⁇ 40 mm from the center of the electrostatic sensor 110 in the X direction. ..
- the circles shown at the start points of the operations (1) to (3) indicate the starting points of the finger jigs, and the simulation was performed assuming that the fingers have a cylindrical shape and the diameter is 12 mm as an example.
- the operation (2.5) at a position -20 mm from the center of the electrostatic sensor 110 in the X direction, which is an intermediate position between the operation (2) and the operation (3), in the Y direction of the electrostatic sensor 110.
- the operation of moving the finger jig from the position of +20 mm from the center to the position of -20 mm was also performed.
- FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the characteristics of the self-capacities S0 and S1 with respect to the position of the finger jig when the operation (1) and the operation (2) are performed.
- the self-capacitance S0 and S1 are the capacitances (pF) acquired based on the potentials of the terminals 113A and 113B, respectively.
- the self-capacity S0 has a characteristic that the finger jig position takes the maximum value at ⁇ 40 mm from the center in the X direction, and the self-capacity S1 is the finger jig. It was a characteristic that the position took the maximum value at +40 mm from the center in the X direction. As described above, the self-capacities S0 and S1 showed symmetrical characteristics in the X-axis direction. Further, as shown in FIG. 5B, when the operation (2) is performed, the self-capacities S0 and S1 show substantially the same characteristics, and the characteristic that the finger jig position takes the maximum value at 0 mm, which is the center in the Y direction.
- FIGS 6A and 6B are diagrams showing the characteristics of the ratio of the self-capacity S1 to the position of the finger jig when the operation (1) and the operation (2) are performed.
- the ratio of the self-capacity S1 is a value representing S1 / (S0 + S1) as a percentage (%).
- the ratio of the self-capacity S1 shows a good value from -60 mm to +60 mm with respect to the center in the X direction.
- the absolute value of the ratio of the self-capacity S1 is lower on the ⁇ X direction side than ⁇ 60 mm and on the + X direction side than + 60 mm, but it is a region where the electrodes 110A and 110B do not exist. Therefore, the electrostatic sensor 110 can detect the position of the finger jig in the X direction in the range of ⁇ 60 mm to +60 mm by associating the ratio with the position in the X direction in advance by an arithmetic expression or a comparison table. ..
- the ratio of the self-capacity S1 was substantially constant in the range of ⁇ 20 mm to +20 mm from the center in the Y direction. As described above, it was found that the ratio of the self-capacity S1 shows completely different characteristics in the operations (1) and (2), so that the operation in the X direction and the operation in the Y direction can be distinguished. Then, in the operation (2), since the ratio does not change, it is not determined that the operation is performed in the X direction. The characteristics when the operation (3) was performed showed a tendency similar to that of the operation (2).
- each electrode has a shape having two sides extending in the Y direction, so even if the finger jig is moved in the Y direction, the distance between the electrode portion that is capacitively coupled to the finger jig and the finger jig. And it is recognized that the change in area is small.
- the shape in which each electrode has two sides extending in the Y direction is rectangular, but a shape having two sides extending in the Y direction is acceptable, and the end in the Y direction is rounded.
- the shape may be such as.
- FIG. 7 is a diagram showing the electrostatic sensor 50 for comparison.
- the electrostatic sensor 50 is arranged so that the hypotenuses of the right-angled triangular electrodes 50A and 50B, which are equal to each other in a plan view, are aligned with each other so that the electrodes 50A and 50B form a rectangle as a whole. Similar to the example of the first simulation model shown in FIG. 4, the dimensions of the electrodes 50A and 50B were 120 mm in the X direction and 20 mm in the width in the Y direction.
- the operation (1) for the electrostatic sensor 50 for comparison is an operation of moving the finger jig from the center of the electrostatic sensor 50 in the X direction to the ⁇ X direction
- the operation (2) is the electrostatic. This is an operation of moving the finger jig from the + Y direction side to the ⁇ Y direction side of the electrostatic sensor 50 at the center of the sensor 50 in the X direction.
- the self-capacitance S0 and S1 are the capacitances (pF) acquired based on the potentials of the electrodes 50A and 50B, respectively.
- the self-capacity S0 has a characteristic that the finger jig position takes the maximum value at ⁇ 40 mm from the center in the X direction
- the self-capacity S1 is the finger jig. It was a characteristic that the position took the maximum value at +40 mm from the center in the X direction.
- the self-capacities S0 and S1 showed symmetrical characteristics in the X-axis direction. Further, as shown in FIG.
- the self-capacity S0 when the operation (2) is performed, the self-capacity S0 has a characteristic that the finger jig position takes a maximum value at ⁇ 5 mm from the center in the Y direction, and the self-capacity S1 is a finger. It was a characteristic that the jig position took the maximum value in the range of +5 mm from the center in the X direction. As described above, the self-capacities S0 and S1 showed symmetrical characteristics in the Y-axis direction. As is clearly shown by comparing FIGS. 8A and 8B, the relationship between the self-capacities S0 and S1 in the operation (1) and the operation (2) is difficult to distinguish because they both show symmetrical characteristics. I understood.
- FIGS 9A and 9B are diagrams showing the characteristics of the ratio of the self-capacity S1 to the position of the finger jig when the operation (1) and the operation (2) are performed.
- the ratio of the self-capacity S1 is a value representing S1 / (S0 + S1) as a percentage (%).
- the ratio of the self-capacity S1 shows a good value from -60 mm to +60 mm with respect to the center in the X direction.
- the absolute value of the ratio of the self-capacity S1 is lower on the ⁇ X direction side than ⁇ 60 mm and on the + X direction side than + 60 mm, but it is a region where the electrodes 50A and 50B do not exist. Therefore, the electrostatic sensor 50 can detect the position of the finger jig in the X direction in the range of ⁇ 60 mm to +60 mm by associating the ratio with the position in the X direction in advance by an arithmetic expression or a comparison table. ..
- 10A and 10B are diagrams showing the ratio of the self-capacity S1 in the electrostatic sensor 110 and the ratio of the self-capacity S1 in the comparative electrostatic sensor 50.
- 10A and 10B show the ratio of the self-capacity S1 when the operations (2), (2.5), and (3) are performed.
- FIG. 10A shows the ratio of the self-capacity S1 in the electrostatic sensor 110
- FIG. 10B shows the ratio of the self-capacity S1 in the comparative electrostatic sensor 50.
- the ratio of the self-capacity S1 in the electrostatic sensor 110 when the operations (2), (2.5), and (3) are performed is the case of the operations (2.5) and (3).
- the characteristics are completely different from the characteristics of the operation (1) shown in FIG. 6A, and the operation (1) is distinguished from the operations (2), (2.5), and (3). It was confirmed that it was possible.
- the ratio of the self-capacity S1 in the comparative electrostatic sensor 50 when the operations (2), (2.5), and (3) are performed is in the Y direction in all cases. It changed significantly in the range of -20 mm to +20 mm from the center. Both characteristics are similar to the movement of the center in the Y direction of the operation (1) shown in FIG. 9A.
- FIG. 11 is a diagram showing the difference between the maximum value and the minimum value of the ratio of the self-capacity S1 between the electrostatic sensor 110 and the comparative electrostatic sensor 50.
- FIG. 11 shows the difference between the maximum value and the minimum value of the ratio of the self-capacity S1 in the operations (2), (2.5), and (3).
- the difference in the ratio of the self-capacity S1 in the operations (2), (2.5), and (3) of the electrostatic sensor 110 is 1% (difference between the minimum value 49% and the maximum value 50%) and 6% (minimum value). The difference was 28% and the maximum value of 34%), and 10% (the difference between the minimum value of 15% and the maximum value of 25%).
- the difference in the ratio of the self-capacity S1 in the operations (2), (2.5), and (3) of the electrostatic sensor 50 for comparison is 30% (difference between the minimum value of 35% and the maximum value of 65%) and 32%. (Difference between minimum value 26% and maximum value 58%) and 13% (difference between minimum value 27% and maximum value 40%).
- the electrostatic sensor 110 has a smaller variation in the ratio S1 / (S0 + S1) corresponding to the position when it moves in the Y direction than the electrostatic sensor 50 for comparison.
- the XY coordinates are not specified, but the position on the first axis (X-axis) is obtained from the outputs of the two electrodes, and all the fluctuations in the ratio correspond to the displacement on the first axis.
- the ratio does not change significantly. Therefore, the possibility that the movement in the Y-axis direction is erroneously recognized as the movement in the first axis direction can be reduced, or the amount of movement that is erroneously recognized can be reduced.
- an operation in the X direction for example, operation (1)
- an operation in the Y direction for example, operation (2)
- an operation in the Y direction for example, operation (2)
- FIGS. 6A and 10A. ), (2.5), (3) can be distinguished based on the waveforms of the self-capacities S0 and S1. Therefore, from this waveform, it is possible to determine whether the movement is in the X direction or the Y direction, and to perform a predetermined operation such as opening the door only when a swipe operation in the X axis direction is detected, for example.
- a swipe in the Y-axis direction when a swipe in the Y-axis direction is detected, the door lock can be locked / unlocked.
- the swipe operation in the X-axis direction may be viewed from the waveform, but the swipe operation may be determined by continuously specifying the position in the X-axis direction described above.
- the electrostatic input device 100 capable of accurately specifying the moving direction and the moving amount of the object to be detected. Further, in the above, the case of performing the swipe operation performed by touching the door handle 10 has been described, but even if the door handle 10 is not touched, the finger is brought close to the surface of the door handle 10 and moved in the X direction or the Y direction. However, it can be detected separately.
- the electrostatic input device 100 can be applied to other than the door handle 10, and can be applied to a finger or the like according to a change in capacitance. It can be applied to various devices and the like for detecting the position of a living body. Further, if the electrostatic sensor 110 is immersed in or opposed to the liquid with the X direction in the depth direction, the relative permittivity differs between the part in the liquid and the part in the air, and the capacitance with the electrode differs. Therefore, the height of the liquid level can be detected.
- the inner layer of the substrate 110C may be connected by using vias.
- FIG. 12 is a diagram showing an electrostatic sensor 110M as a modified example of the embodiment.
- the electrostatic sensor 110M has an electrode 110MA and an electrode 110MB.
- the electrode 110MA is an example of the first electrode
- the electrode 110MB is an example of the second electrode.
- the electrode 110MA has a plurality of electrode portions 111MA, and the terminal 113MA is connected to the electrode 110MA.
- the plurality of electrode portions 111MA are connected to each other via an inner layer of a substrate or via vias.
- Each of the plurality of electrode portions 111MA has a rectangular shape having two sides extending in the Y direction.
- the electrode 110MB has a plurality of electrode portions 111MB, and a terminal 113MB is connected to the electrode 110MB.
- the plurality of electrode portions 111MB are connected to each other via an inner layer of a substrate or via vias.
- Each of the plurality of electrode portions 111B has a rectangular shape having two sides extending in the Y direction.
- the plurality of electrode portions 111MA and the plurality of electrode portions 111MB are alternately arranged on the X axis in the X direction, and the widths in the X direction are all the same.
- the electrode portion 111MA on the most ⁇ X direction side has the longest length in the Y direction
- the electrode portion 111MA on the most + X direction side has the shortest length in the Y direction. Therefore, the area of the plurality of electrode portions 111MA gradually decreases from the ⁇ X direction side to the + X direction side.
- the electrode portion 111MB on the most ⁇ X direction side has the shortest length in the Y direction
- the electrode portion 111MB on the most + X direction side has the longest length in the Y direction. Therefore, the area of the plurality of electrode portions 111MB increases in order from the ⁇ X direction side to the + X direction side.
- Such an electrostatic sensor 110M may be used in place of the electrostatic sensor 110 shown in FIG.
- Electrostatic input device 110 Electrostatic sensor 110A, 110B Electrode 111A, 111B Electrode part 112A, 112B Connection part 120 Positioning part
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Abstract
被検出物の移動方向及び移動量を正確に特定可能な静電入力装置を提供する。 静電入力装置は、所定方向に沿って間隔を隔てて配置される複数の第1電極部を有する第1電極と、前記所定方向に沿って前記複数の第1電極と交互に配置される複数の第2電極部を有する第2電極とを含み、前記複数の第1電極部の各々の面積は、前記所定方向において減少し、前記複数の第2電極部の各々の面積は、前記所定方向において増大する。
Description
本発明は、静電入力装置に関する。
従来より、平面視で互いに等しい直角三角形状の第1電極と第2電極との斜辺同士を合わせて、第1電極と第2電極とが全体で矩形をなすように配置されたタッチセンサがある(例えば、特許文献1参照)。
ところで、従来のタッチセンサは、第1電極と第2電極の2つの電極によって矩形の第1軸方向(例えばX方向)に沿った操作位置を求めるものであり、第1軸方向に沿った操作が行われた場合に第1電極及び第2電極のうちの一方の電極と手等の被検出物との静電容量が増大するとともに他方の電極と被検出物との静電容量が減少する。そして両方の電極の合計に対する一方の電極の比率を求めることで、電極からの垂直方向の距離が多少変動したとしても、第1軸方向(X方向)に沿った操作位置を求めることができる。ところで、電極の出力を大きくする目的などの為に、電極の第1軸方向と直行する第2軸方向(Y方向)の幅を広く設定する要求があるが、その場合、第2軸方向に沿った操作をしても両方の電極の合計に対する一方の電極の比率が変動する為、第1軸方向への移動として判定してしまい1軸方向の被検出物の移動方向及び移動量を正しく特定できない場合がある。
そこで、被検出物の移動方向及び移動量を正確に特定可能な静電入力装置を提供することを目的とする。
本発明の実施形態の静電入力装置は、所定方向に沿って間隔を隔てて配置される複数の第1電極部を有する第1電極と、前記所定方向に沿って前記複数の第1電極と交互に配置される複数の第2電極部を有する第2電極とを含み、前記複数の第1電極部の各々の面積は、前記所定方向において減少し、前記複数の第2電極部の各々の面積は、前記所定方向において増大する。
被検出物の移動方向及び移動量を正確に特定可能な静電入力装置を提供することができる。
以下、本発明の静電入力装置を適用した実施形態について説明する。
<実施形態>
図1は、車両1に取り付けられたドアハンドル10を示す図である。車両1のドア2には、ドアハンドル10が取り付けられている。ドアハンドル10は、人の手の指等で掴みやすいように細長い形状を有している。ドアハンドル10の内部には静電センサ110が設けられている。なお、図1では、ドアハンドル10の長手方向は、ドアハンドル10が細長く延在する横方向である。
図1は、車両1に取り付けられたドアハンドル10を示す図である。車両1のドア2には、ドアハンドル10が取り付けられている。ドアハンドル10は、人の手の指等で掴みやすいように細長い形状を有している。ドアハンドル10の内部には静電センサ110が設けられている。なお、図1では、ドアハンドル10の長手方向は、ドアハンドル10が細長く延在する横方向である。
図2は、静電入力装置100の構成を示す図である。静電入力装置100は、静電センサ110と位置特定部120とを有する。図2では、静電センサ110と位置特定部120とを簡略化して示すが、静電センサ110の2つの電極は位置特定部120に接続されており、位置特定部120は、2つの電極の静電容量の比に基づいて、ドアハンドル10に手等が接触する第1軸上の位置(操作位置)を特定する。位置特定部120は、アンプ、ADC(Analog-to-digital converter:ADコンバータ)、演算部、及び制御部等を有するが、ここでは省略する。
図3は、静電センサ110を示す図である。静電センサ110は、電極110Aと電極110Bと基板110Cとを有する。電極110Aは第1電極の一例であり、電極110Bは第2電極の一例である。電極110A、110Bは、ともに櫛歯状の形状を有する。以下では、XYZ座標系を定義して説明する。また、以下では、平面視とはXY面視のことであり、説明の便宜上、-Z方向側を下側又は下、+Z方向側を上側又は上と称すが、普遍的な上下関係を表すものではない。なおX軸が第1軸に相当する。
電極110Aは、複数の電極部111Aと、接続部112Aとを有し、端子113Aが接続されている。複数の電極部111Aは、一例として3個以上あればよく、図3には6個の電極部111Aを示す。3個以上であればよい理由は、静電センサ110は、X方向に交互に配置される電極部111Aと電極部111Bの静電容量の変化に基づいてX方向における操作位置を検出するため、少なくとも3個あればよいとの考え方によるものである。
複数の電極部111Aは、複数の第1電極部の一例であり、互いにX方向の幅が異なり、Y方向の長さは互いに等しい。また複数の電極部111Aの個々はY方向に細長い矩形状であり、Y方向の電極の幅が一定に形成されている。複数の電極部111Aの個々は、Y方向に延在する二辺を有する矩形状の形状を有する。最も-X方向側に位置する電極部111AのX方向の幅が最も広く、最も+X方向側に位置する電極部111AのX方向の幅が最も狭い。複数の電極部111AのX方向の幅は、X方向において-X方向から+X方向にかけて順番に狭くなるように設定されている。このため、最も-X方向側に位置する電極部111Aの面積が最も大きく、最も+X方向側に位置する電極部111AのX方向の面積が最も小さい。なお、複数の電極部111AのX方向のピッチPはすべて等しい。ピッチPは、隣り合う電極部111A同士のX方向の幅の中心同士の間隔である。
このような複数の電極部111Aは、所定方向の一例であるX方向において、電極110Bの複数の電極部111Bと交互に(互い違いに)配置され、Y方向で重なる位置に配置される。隣り合う電極部111Aと電極部111BとのX方向の間隔は、指の位置がX方向のどの位置にあっても電極部111A及び電極部111Bの少なくともいずれか一方と指とに容量結合が生じるような間隔に設定すればよい。このような間隔は、一例として0.5mm以下であり、0.5mmはシミュレーションによって求めた値である。
接続部112Aは、第1接続部の一例であり、複数の電極部111Aの+Y方向側の端部をX方向に接続する線状のパターンである。接続部112AのY方向の幅は、X方向において一定である。X方向に延在する接続部112Aの-Y方向側に複数の電極部111Aが接続されていることにより、電極110Aは、平面視で櫛歯状の形状を有する。このような電極110Aは、一例として、基板110Cの上面に設けられた銅箔等の金属箔をエッチング等でパターニングすることによって作製可能である。
電極110Bは、電極110Aの櫛歯状の形状と入れ子式になる櫛歯状の形状を有する。電極110Bは、複数の電極部111Bと、接続部112Bとを有し、端子113Bが接続されている。複数の電極部111Bは、一例として3個以上あればよいことは、電極110Aと同様である。
複数の電極部111Bは、複数の第2電極部の一例であり、複数の電極部111Aの配列をX方向において反転させたように配置されている。複数の電極部111Bは、互いにX方向の幅が異なり、Y方向の長さは互いに等しい。また複数の電極部111Aの個々はY方向に細長い矩形状であり、Y方向の電極の幅が一定に形成されている。複数の電極部111Bの個々は、Y方向に延在する二辺を有する矩形状の形状を有する。最も-X方向側に位置する電極部111BのX方向の幅が最も狭く、最も+X方向側に位置する電極部111BのX方向の幅が最も広い。複数の電極部111BのX方向の幅は、X方向において-X方向から+X方向にかけて順番に広くなるように設定されている。このため、最も-X方向側に位置する電極部111Bの面積が最も小さく、最も+X方向側に位置する電極部111BのX方向の面積が最も大きい。なお、複数の電極部111BのX方向のピッチPであることも複数の電極部111Aと同様である。
接続部112Bは、第2接続部の一例であり、複数の電極部111Bの-Y方向側の端部をX方向に接続する線状のパターンである。接続部112BのY方向の幅は、X方向において一定である。X方向に延在する接続部112Bの+Y方向側に複数の電極部111Bが接続されていることにより、電極110Bは、平面視で櫛歯状の形状を有する。このような電極110Bは、一例として、基板110Cの上面に設けられた銅箔等の金属箔をエッチング等でパターニングすることによって作製可能である。
なお、ここでは、接続部112A、112Bに対して、平面視で直交する方向に複数の電極部111A、111Bが延在する形態について説明するが、複数の電極部111A、111Bは、接続部112A、112Bに対して平面視で直交以外の角度(90度未満の角度、又は、90度よりも大きい角度)の方向に延在していてもよく、また、平面視で湾曲した形状であってもよい。
基板110Cは、一例としてFR4(Flame Retardant type 4)規格の配線基板であり、電極110A、110Bは、一例として基板110Cの上面に形成されている。なお、基板110Cはフレキシブル基板であってもよく、また、電極110A、110Bは、基板110Cの上面と下面にそれぞれ形成されていてもよい。また、電極110A、110Bは、2枚の基板にそれぞれ形成されていて、電極110A、110Bを互いに絶縁した状態で2枚の基板を重ねて設けてもよい。
図4は、静電センサ110のシミュレーションモデルの一例を示す図である。図4では静電センサ110の符号のみを示し、電極110A、110B、電極部111A、111Bの符号については図3を援用する。図4に示すシミュレーションモデルは、電極部111A、111Bを19個ずつ含む。また、電極110A、110BのX方向の長さは120mmであり、Y方向の幅は20mmである。
このような静電センサ110のシミュレーションモデルにおいて、人間の指を模擬した指治具で(1)~(3)の操作を行う。指治具の位置は、一例として静電センサ110の60mm上方であり、ドアハンドル10(図1参照)に触れながら(1)~(3)の操作を行うものとしてシミュレーションを行った。このような操作は、所謂スワイプ操作である。
操作(1)は、静電センサ110のX方向の中心から-X方向に80mmの位置から+80mmの位置まで指治具を移動させる操作であり、ドアハンドル10の長手方向(X方向)に指を動かしている操作に相当する。操作(2)は、静電センサ110のX方向の中心において、静電センサ110のY方向の中心から+20mmの位置から-20mmの位置まで指治具を移動させる操作である。操作(3)は、静電センサ110のX方向の中心から-40mmの位置において、静電センサ110のY方向の中心から+20mmの位置から-20mmの位置まで指治具を移動させる操作である。なお、操作(1)~(3)の始点に示す円は、指治具のスタート地点を示し、指は円柱形状として、直径は一例として12mmであるものとしてシミュレーションを行った。また、操作(2.5)として、操作(2)と操作(3)との中間の位置である静電センサ110のX方向の中心から-20mmの位置において、静電センサ110のY方向の中心から+20mmの位置から-20mmの位置まで指治具を移動させる操作も行った。
図5A及び図5Bは、操作(1)と操作(2)を行ったときの指治具の位置に対する自己容量S0、S1の特性を示す図である。自己容量S0、S1は、それぞれ、端子113A、113Bの電位に基づいて取得される静電容量(pF)である。
図5Aに示すように、操作(1)を行ったときには、自己容量S0は、指治具位置がX方向における中心から-40mmにおいて最大値を取る特性であり、自己容量S1は、指治具位置がX方向における中心から+40mmにおいて最大値を取る特性であった。このように、自己容量S0、S1は、X軸方向において対称的な特性を示した。また、図5Bに示すように、操作(2)を行ったときには、自己容量S0、S1は、略同一の特性を示し、指治具位置がY方向における中心である0mmにおいて最大値を取る特性であった。このように、自己容量S0、S1は、操作(1)、(2)において全く異なる特性を示すため、X方向の操作とY方向の操作を区別可能であることが分かった。なお、操作(3)を行った場合の特性は、操作(2)と類似した傾向を示した。
図6A及び図6Bは、操作(1)と操作(2)を行ったときの指治具の位置に対する自己容量S1の比率の特性を示す図である。自己容量S1の比率は、S1/(S0+S1)を百分率(%)で表す値である。
図6Aに示すように、操作(1)を行った場合には、自己容量S1の比率は、X方向における中心に対して-60mm~+60mmまで良好な値を示す。-60mmよりも-X方向側と+60mmよりも+X方向側では、自己容量S1の比率の絶対値が低下しているが、電極110A、110Bが存在しない領域である。このため、静電センサ110は、予め比率とX方向の位置を演算式或いは対比表で対応させておくことによって、-60mm~+60mmの範囲でX方向における指治具の位置を検出可能である。
図6Bに示すように、操作(2)を行った場合には、自己容量S1の比率は、Y方向における中心から-20mm~+20mmの範囲で略一定であった。このように、自己容量S1の比率は、操作(1)、(2)において全く異なる特性を示すため、X方向の操作とY方向の操作を区別可能であることが分かった。そして、操作(2)においては、比率は変わらないので、X方向に操作がされたとは判定はされない。なお、操作(3)を行った場合の特性は、操作(2)と類似した傾向を示した。これは個々の電極がY方向に延在する二辺を有する形状を有する為、指治具をY方向に移動させても、指治具と容量結合する電極部分と、指治具との距離及び面積の変化が少ない為と認められる。なお、個々の電極がY方向に延在する二辺を有する形状として、矩形状としたがY方向に延在する二辺を有する形状であれは良く、Y方向の端部に丸みを持たせる等の形状としても良い。
図7は、比較用の静電センサ50を示す図である。静電センサ50は、平面視で互いに等しい直角三角形状の電極50Aと電極50Bとの斜辺同士を合わせて、電極50Aと電極50Bとが全体で矩形をなすように配置されている。寸法は、図4で示した第1シミュレーションモデルの一例と同様、電極50A、50BのX方向の長さは120mmであり、Y方向の幅は20mmとしてシミュレーションを行った。
ここで、比較用の静電センサ50についての操作(1)は、静電センサ50のX方向の中心から-X方向に指治具を移動させる操作であり、操作(2)は、静電センサ50のX方向の中心において、静電センサ50の+Y方向側から-Y方向側に指治具を移動させる操作である。
図8A及び図8Bは、操作(1)と操作(2)を行ったときの指治具の位置に対する自己容量S0、S1の特性を示す図である。自己容量S0、S1は、それぞれ、電極50A、50Bの電位に基づいて取得される静電容量(pF)である。
図8Aに示すように、操作(1)を行ったときには、自己容量S0は、指治具位置がX方向における中心から-40mmにおいて最大値を取る特性であり、自己容量S1は、指治具位置がX方向における中心から+40mmにおいて最大値を取る特性であった。このように、自己容量S0、S1は、X軸方向において対称的な特性を示した。また、図8Bに示すように、操作(2)を行ったときには、自己容量S0は、指治具位置がY方向における中心から-5mmにおいて最大値を取る特性であり、自己容量S1は、指治具位置がX方向における中心から+5mmの範囲において最大値を取る特性であった。このように、自己容量S0、S1は、Y軸方向において対称的な特性を示した。このように図8Aと図8Bを比較して明らかなように、操作(1)と操作(2)においては自己容量S0、S1の関係は、いずれも対象的な特性を示すため区別しにくいことが分かった。
図9A及び図9Bは、操作(1)と操作(2)を行ったときの指治具の位置に対する自己容量S1の比率の特性を示す図である。自己容量S1の比率は、S1/(S0+S1)を百分率(%)で表す値である。
図9Aに示すように、操作(1)を行った場合には、自己容量S1の比率は、X方向における中心に対して-60mm~+60mmまで良好な値を示す。-60mmよりも-X方向側と+60mmよりも+X方向側では、自己容量S1の比率の絶対値が低下しているが、電極50A、50Bが存在しない領域である。このため、静電センサ50は、予め比率とX方向の位置を演算式或いは対比表で対応させておくことによって、-60mm~+60mmの範囲でX方向における指治具の位置を検出可能である。
図9Bに示すように、操作(2)を行った場合には、自己容量S1の比率は、Y方向における中心から-20mm~+20mmの範囲で大きく変化した。特に、Y方向の中心(0mm)の前後での変化が非常に大きく、30%程の変化が認められた。これは、図9Aで示す特性と類似する特性であることが確認できた。
図10A及び図10Bは、静電センサ110における自己容量S1の比率と、比較用の静電センサ50における自己容量S1の比率とを示す図である。図10A、図10Bには、操作(2)、(2.5)、(3)を行った場合の自己容量S1の比率を示す。図10Aには静電センサ110における自己容量S1の比率を示し、図10Bには比較用の静電センサ50における自己容量S1の比率を示す。
図10Aに示すように、操作(2)、(2.5)、(3)を行った場合の静電センサ110における自己容量S1の比率は、操作(2.5)、(3)の場合に多少の変動が見られたが、図6Aに示す操作(1)の特性とは全く異なる特性であり、操作(1)と操作(2)、(2.5)、(3)とを区別可能であることが確認できた。
また、図10Bに示すように、操作(2)、(2.5)、(3)を行った場合の比較用の静電センサ50における自己容量S1の比率は、いずれの場合もY方向における中心から-20mm~+20mmの範囲で大きく変化した。いずれの特性も図9Aに示す操作(1)のY方向における中心の動きと似ている。
図11は、静電センサ110と比較用の静電センサ50とにおける自己容量S1の比率の最大値と最小値の差分を示す図である。図11には、操作(2)、(2.5)、(3)における自己容量S1の比率の最大値と最小値の差分を示す。静電センサ110の操作(2)、(2.5)、(3)における自己容量S1の比率の差分は、1%(最小値49%と最大値50%の差分)、6%(最小値28%と最大値34%の差分)、10%(最小値15%と最大値25%の差分)であった。比較用の静電センサ50の操作(2)、(2.5)、(3)における自己容量S1の比率の差分は、30%(最小値35%と最大値65%の差分)、32%(最小値26%と最大値58%の差分)、13%(最小値27%と最大値40%の差分)であった。このように静電センサ110の方が比較用の静電センサ50に比べて、Y方向に移動した際の位置に対応する比率S1/(S0+S1)の変動が小さい。
本実施例においてはXY座標を特定するものでは無く、2つの電極の出力から第1軸上(X軸)の位置を求めるものであり、比率の変動は全て第1軸上での変位に対応させて判定しているが、このように、静電センサ110においては、手などをY方向へ移動しても、比率は大きく変わらない。よってY軸方向の移動を、第1軸方向への移動として誤認識する可能性を少なく、或いは、誤認識される移動量を少なくすることができる。
なお、櫛歯状の電極110A、110Bを有する静電センサ110を用いることにより、図6Aと図10Aに示すようX方向の操作(例えば操作(1))とY方向の操作(例えば操作(2)、(2.5)、(3))とを自己容量S0、S1の波形に基づいて区別することができる。そのためこの波形から、X方向への移動か、Y方向への移動かを判定し、例えば、X軸方向のスワイプ動作を検知した場合のみドアを開くなどの所定の動作を行わせることができる。又、加えてY軸方向へのスワイプを検知するとドアロックの施解錠を行わせるなども可能である。なお、X軸方向のスワイプ動作は波形から見ても良いが前述のX軸方向の位置の特定を連続的に特定することでスワイプ動作を判定するようにしても良い。
以上のように被検出物の移動方向及び移動量を正確に特定可能な静電入力装置100を提供することができる。また、以上では、ドアハンドル10に接触して行うスワイプ操作を行う場合について説明したが、ドアハンドル10に触れなくても、ドアハンドル10の表面に指を近づけてX方向又はY方向に移動させても同様に区別して検出可能である。
なお、以上では、静電入力装置100をドアハンドル10に適用する形態について説明したが、静電入力装置100はドアハンドル10以外にも適用可能であり、静電容量の変化に応じて指等の生体の位置を検出する様々な装置等に適用可能である。また、静電センサ110のX方向を深さ方向にして液体に浸漬、或いは対向させれば、液体中の部分と、空気中の部分とで比誘電率が異なり電極との静電容量が異なるため、液面の高さを検出可能である。
また、以上では、電極110Aの複数の電極部111Aを接続部112Aで接続する形態について説明したが、基板110Cの内層とビアを用いて接続してもよい。
図12は、実施形態の変形例の静電センサ110Mを示す図である。静電センサ110Mは、電極110MAと電極110MBとを有する。ここでは基板を省略する。電極110MAは第1電極の一例であり、電極110MBは第2電極の一例である。電極110MAは、複数の電極部111MAを有し、端子113MAが接続されている。複数の電極部111MAは、基板の内層やビアを介して互いに接続されている。複数の電極部111MAの個々は、Y方向に延在する二辺を有する矩形状の形状を有する。電極110MBは、複数の電極部111MBを有し、端子113MBが接続されている。複数の電極部111MBは、基板の内層やビアを介して互いに接続されている。複数の電極部111Bの個々は、Y方向に延在する二辺を有する矩形状の形状を有する。
複数の電極部111MAと、複数の電極部111MBとは、X方向においてX軸上に交互に配置されており、X方向の幅はすべて等しい。複数の電極部111MAは、最も-X方向側の電極部111MAがY方向の長さが最も長く、最も+X方向側の電極部111MAのY方向の長さが最も短い。このため、複数の電極部111MAの面積は、-X方向側から+X方向側に向かって順番に小さくなっている。また、複数の電極部111MBは、最も-X方向側の電極部111MBがY方向の長さが最も短く、最も+X方向側の電極部111MBのY方向の長さが最も長い。このため、複数の電極部111MBの面積は、-X方向側から+X方向側に向かって順番に大きくなっている。このような静電センサ110Mを図3に示す静電センサ110の代わりに用いてもよい。
以上、本発明の例示的な実施形態の静電入力装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
なお、本国際出願は、2020年5月19日に出願した日本国特許出願2020-087577号に基づく優先権を主張するものであり、その全内容は本国際出願にここでの参照により援用されるものとする。
100 静電入力装置
110 静電センサ
110A、110B 電極
111A、111B 電極部
112A、112B 接続部
120 位置特定部
110 静電センサ
110A、110B 電極
111A、111B 電極部
112A、112B 接続部
120 位置特定部
Claims (8)
- 所定方向に沿って間隔を隔てて配置される複数の第1電極部を有する第1電極と、
前記所定方向に沿って前記複数の第1電極と交互に配置される複数の第2電極部を有する第2電極と
を含み、
前記複数の第1電極部の各々の面積は、前記所定方向において減少し、前記複数の第2電極部の各々の面積は、前記所定方向において増大する、静電入力装置。 - 前記複数の第1電極部の各々の面積は、前記所定方向において順番に減少し、前記複数の第2電極部の各々の面積は、前記所定方向において順番に増大する、請求項1に記載の静電入力装置。
- 前記複数の第1電極部は、前記所定方向において互いに異なる幅を有し、前記複数の第2電極部は、前記所定方向において互いに異なる幅を有する、請求項1又は2に記載の静電入力装置。
- 前記第1電極は、平面視において前記所定方向に直交する方向における第1側で前記複数の第1電極部を接続する第1接続部を有し、
前記第2電極は、平面視において前記所定方向に直交する方向における第2側で前記複数の第2電極部を接続する第2接続部を有する、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の静電入力装置。 - 前記複数の第1電極部は、平面視で前記所定方向に直交する方向において互いに異なる長さを有し、前記複数の第2電極部は、平面視で前記所定方向に直交する方向において互いに異なる長さを有する、請求項1又は2に記載の静電入力装置。
- 前記複数の第1電極部及び前記複数の第2電極部は、前記所定方向と直交する方向に延在する二辺を有する形状を有する、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の静電入力装置。
- 前記複数の第1電極部と前記複数の第2電極部との前記所定方向において隣り合う間隔は0.5mm以下である、請求項1乃至6のいずれか1項に記載の静電入力装置。
- 前記第1電極及び前記第2電極に接続され、前記第1電極と前記第2電極との出力比に基づいて前記所定方向における被検出物の位置を特定する位置特定部をさらに含む、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の静電入力装置。
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